Les inversions des circulations d’air dans une grotte de la craie à une entrée. Exemple de la grotte des Petites Dales (Normandie, France)

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La grotte des Petites Dales (Normandie, France) est une grotte à une entrée de la craie du Coniacien de l’ouest du bassin de Paris. La galerie étudiée ou «galerie principale» mesure 453 m de longueur avec une section variant de 2 à 5 m de largeur pour 2 à 3 m de hauteur en moyenne et pouvant atteindre 15 m pour sa plus grande hauteur. Cette galerie principale est quasiment horizontale. La climatologie de cette grotte est très variable dans l’espace et dans le temps. Aussi, pour étudier l’impact du climat passé et présent, une étude de la climatologie actuelle en lien avec l’évolution du climat a été développée. Des enregistreurs multi-paramètres «à haute fréquence» ont été mis en place dans la cavité. Les sondes mesurent simultanément en voûte et en radier les paramètres physiques suivants : humidité spécifique (poids d’eau), hygrométrie relative de l’air, température. Un enregistreur à l’extérieur mesure ces mêmes paramètres physiques. Les pressions barométriques extérieure et intérieure (à 40 m de l’entrée) sont mesurées. Un suivi sur les fluctuations de CO2 en voûte et en radier a également été réalisé. Des mesures de vitesses et de pression barométrique ont aussi été réalisées sur de courtes périodes. La température de la grotte, dans une très grande partie du conduit (partie profonde), est faiblement variable sur une année. La géométrie de la grotte n’est pas déterminante sur la température de l’air. Une zone d’échange de chaleur et d’eau entre masses d’air et parois a été localisée dans les cent premiers mètres. L’objectif de cette étude est de comprendre comment s’effectuent les transferts thermiques entre l’air et la roche, à partir de la mesure des variations journalières de température entre l’extérieur et l’intérieur de la grotte. On constate que lorsque l’humidité spécifique extérieure est proche de celle de l’intérieur, l’air extérieur ne pénètre pas au-delà de 40 m. En revanche, en hiver quand les humidités spécifiques extérieures sont basses et que la situation se prolonge, une lame d’air de 70 cm de hauteur entre par le bas et se développe jusqu’à 150 m voire 200 m de l’entrée où elle ne mesure plus que 5 à 10 cm d’épaisseur. Des phénomènes de condensations s’observent en parois en fonction de ces situations. Au-delà des zones d’échange (à 200 m et plus de l’entrée) existe une zone qui constitue un réservoir d’air qui se vidange vers l’entrée à vitesse variable en fonction de la nature des échanges saisonniers et de l’écart entre les humidités spécifiques. Dans cette zone réservoir, on observe de petites cellules de convection dues aux différences de température entre l’air et les parois. Les enregistrements ont confirmé que lorsque les humidités spécifiques à l’extérieur de la grotte sont supérieures ou inférieures à celles de la grotte, l’air extérieur entre par le bas ou par le haut et ressort mélangé en sens inverse de son sens d’entrée. Le phénomène dure, en fonction de l’évolution des humidités spécifiques extérieures, de quelques heures à plusieurs semaines.

Inversions of the airflow in an one entrance cave in the chalk : the Petites Dales karst in Normandy. A detailed study of the microclimate of Petites Dales karst cave with single-entrance is detailed in this paper. The PD cave, 1.3 km from the sea shoreline, is a major fossil cave in Upper Normandy. Its 800 m of galleries represent specifically a large collector, which was completely infilled before it was opened by cavers (Rodet and Viard, 2009). Two years of cave monitoring investigate temperature, weight of water vapour and airflow distributions outside and inside the cavity were conducted to determine the global behaviour of the karst cave. In addition, daily measurements of temperature and airflow demonstrate clearly the stratification of the air and inversions of the airflow during day-time. The cave air is intensively exchanged with external air during the years, with two main modes : (i) airflow enters from the ceiling during summer period and (ii) airflow enters from the floor during winter. At the entrance, an S-shaped velocity profile was observed and far from the entrance, convection loops were observed. During the other period of the year, the airflows may switch from top to bottom or conversely. The thermodynamic conditions of switching are discussed in this paper. This study provided for the first time evidence of daily airflow inversion. Study of cave climates is required in the comprehension of cave flora and fauna, thermodynamic conditions for karst processes underground, hydrogeological features of speleothems and human impact when caves are visited.